本發(fā)明涉及光學(xué)鏡頭領(lǐng)域，特別涉及一種高清水下視頻攝像鏡頭。

背景技術(shù)：

隨著水下視頻攝影的技術(shù)突破，特別是高靈敏度、高清晰度攝像器件和適應(yīng)水下攝影的高亮度的照明系統(tǒng)的突破，使得人類借助視頻攝像設(shè)備能看到更清晰、距離更遠(yuǎn)、水底更深、觀察時(shí)間更長的水下景物活動(dòng)情況，推動(dòng)了人類對(duì)海洋、江河湖泊等水下領(lǐng)域探索更大的興趣。新的水下產(chǎn)業(yè)、水下安防、水下科研、水下資源勘探開發(fā)、水下娛樂運(yùn)動(dòng)等迅速興起。

與陸上的大氣環(huán)境不同，它的物方空間傳播介質(zhì)是折射率為1.334和1.34316的水或海水,因此陸上能用的視頻攝像光學(xué)系統(tǒng),在水下不一定可用。置于水下的攝像光學(xué)系統(tǒng)，所看到的景物比在大氣中看的要大近4/3，能看到的景物距離僅為大氣中的3/4。由于水對(duì)可見光的吸收和散射較強(qiáng)，光亮度迅速衰減(每米衰減約4％)，在陽光明媚的條件下，可視水平距離大約30m左右，同時(shí)很難看清水深20m的景物。在懸浮物較嚴(yán)重的水下，能看清的景物往往還不到2m。因此，水下攝影需要特殊的人工輔助照明，才能看得遠(yuǎn)、看得深。研究表明，由于水對(duì)光的吸收使景物在水下的色彩也發(fā)生很大的改變，在水深5m時(shí)紅光消失，在10m時(shí)黃光消失，在20m后只剩下蘭光，所以水下攝影的光譜中心在藍(lán)綠光附近?？傊谒碌木拔锏膶?duì)比度(反差)、色彩、立體感大不如在空氣環(huán)境。作為較好的吸熱體，溫度對(duì)攝像系統(tǒng)影響較大，也需要給于考慮。此外，置于水下的物體還要承受比大氣上更大的壓力，實(shí)驗(yàn)表明每下沉1m，物體上受到的壓力增加1個(gè)大氣壓。因此，設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)和外殼不僅要考慮水密的問題，還要考慮抗壓問題。

目前水下視頻攝像鏡頭常用的結(jié)構(gòu)方案大致有兩種：(一)、如圖1所示，采用同心球殼透鏡作為前置防護(hù)窗口。其中，序號(hào)a為海水，序號(hào)b為同心球殼防護(hù)窗口，序號(hào)c為后置物鏡，序號(hào)d為入瞳，序號(hào)e為像面，d1為同心球殼厚度，d2為同心球殼到后置物鏡間距，r1為同心球殼外半徑，r2為同心球殼內(nèi)半徑，lp后為后置物鏡前端到入瞳中心的間距，r2＝d2+lp后。它讓后置的光學(xué)系統(tǒng)的出瞳位置處于同心球殼的球心。一方面能讓光線沿徑向射出，保證經(jīng)球殼出射的光束無偏折的進(jìn)入水空間；另一方面可產(chǎn)生一定的+s3和-s4(初級(jí)像場系數(shù))，平衡物空間介質(zhì)由空氣改為水引起的較大的場曲和像散.。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是同心球難加工而且加工效率低。(二)、如圖2所示，采用在空氣中設(shè)計(jì)好的后置鏡頭前加入一組倒置的伽利略望遠(yuǎn)鏡。其中，序號(hào)f為海水，序號(hào)g為倒置伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)，序號(hào)h為后置物鏡，序號(hào)i為入瞳，序號(hào)j為像面。把在空氣中設(shè)計(jì)好的后置鏡頭的視場擴(kuò)大到和放在水介質(zhì)一樣。這樣可以用前置的望遠(yuǎn)鏡的參量來校正物空間介質(zhì)由空氣改為水引起的像差。這種結(jié)構(gòu)的不足是片數(shù)增加。

此外，目前水下視頻攝像鏡頭大多數(shù)是廣角(有的做到超廣角)、特大攝像器件、較大孔徑的鏡頭，如美國專利：5579169，其f′＝12.3mm,2ω在170°-180°,d/f＝1；2.3,九片結(jié)構(gòu)，光學(xué)總長大于130mm；我國也有單位開展這方面鏡頭的研制,基本上是中等視場、中等孔徑，鏡片數(shù)都在七片以上，光學(xué)系統(tǒng)長度不小于80mm，且上述鏡頭的清晰度均為標(biāo)清。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服以上缺點(diǎn)，提供一種高清水下視頻攝像鏡頭，該鏡頭采用使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的入瞳位置和第一鏡片第一面的球心相重合的方法，保證光束無偏折地進(jìn)入水空間，不僅能適應(yīng)不同水深、在不同水深均能達(dá)到高清的效果，而且光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種高清水下視頻攝像鏡頭，其特征在于：包括沿光線入射方向依次設(shè)置的第一鏡片、第二鏡片、光欄、第三鏡片、第四鏡片、第五鏡片以及第六鏡片，所述第一鏡片為凸凹負(fù)透鏡，所述第二鏡片為凸凹正透鏡，所述第三鏡片為雙凹負(fù)透鏡，所述第四鏡片為凹凸正透鏡，所述第五鏡片為凸凹正透鏡，所述第六鏡片為平板保護(hù)玻璃，構(gòu)成攝像鏡頭的各光學(xué)元件需滿足以下條件：

lp1＝r1±0.2mm‥‥‥①

3<r1/r2<4.5‥‥‥②

-0.075<h1/f′前<-0.05‥‥‥③

7.8<r10<9.5‥‥‥④

17.5<d2<18.5‥‥‥⑤

4<d1<6‥‥‥⑥

1.71<n3<1.75，50<v3<58‥‥‥⑦

1.75<n8<1.78，50<v8<57‥‥‥⑧

1.71<n6<1.76，26.5<v6<30‥‥‥⑨

其中，lp1為第一鏡片第一面到光學(xué)系統(tǒng)入瞳中心的距離，r1、r2、r10分別為沿光線入射方向鏡片第一面、第二面和第十面的半徑，h1為入瞳半孔徑，f′前為第一鏡片的焦距，d1為第一鏡片的厚度，d2為第一鏡片和第二鏡片之間的空氣間隔，n3、n6、n8分別為第二鏡片、第三鏡片和第四鏡片的折射率，v3、v6、v8分別為第二鏡片、第三鏡片和第四鏡片的阿貝系數(shù)。

為了能實(shí)現(xiàn)鏡頭的小型化，構(gòu)成攝像鏡頭的各光學(xué)元件需滿足以下條件：

0.8<︱f′3︱/f′<1.2‥‥‥⑩

其中，f′3為第三鏡片的焦距，f′5為第五鏡片的焦距，f′為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

為了避免攝像鏡頭受到腐蝕，所述高清水下視頻攝像鏡頭還包括設(shè)置于第一鏡片前端的前置平板玻璃，所述第一鏡片和前置平板玻璃之間充滿純凈水。

優(yōu)選的，所述光欄為電動(dòng)遙控可變光欄。

優(yōu)選的，所述第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片、第四鏡片、第五鏡片以及第六鏡片分別采用以下材料制成：h-k9l、h-lak52、h-zf4、h-lak53a、h-lak53a、h-k9l。

較之現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提供的高清水下視頻攝像鏡頭，采用使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的入瞳位置和第一鏡片第一面的球心相重合的方法，保證光束無偏折地進(jìn)入水空間，不僅能適應(yīng)不同水深、在不同水深均能達(dá)到高清的效果，而且光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高；

(2)本發(fā)明提供的高清水下視頻攝像鏡頭，第一鏡片第二面的半徑和厚度可作為參量和后置光學(xué)系統(tǒng)一起對(duì)像差進(jìn)行校正，有利光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)一步改善；

(3)本發(fā)明提供的高清水下視頻攝像鏡頭，第一鏡片前設(shè)有前置平板保護(hù)玻璃并在它和第一鏡片之間充入純凈水，使原鏡頭第一面不直接與海水或臟水接觸，不僅能延長使用壽命，而且它可以和后面的原鏡頭分開單獨(dú)密封，維修時(shí)只需更換前置平板保護(hù)玻璃即可；

(4)本發(fā)明提供的高清水下視頻攝像鏡頭，鏡頭總長不大于50mm，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、維修方便、廣角大孔徑等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)采用同心球殼方案的原理示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)采用加入倒置的伽利略望遠(yuǎn)鏡方案的原理示意圖；

圖3是本發(fā)明高清水下視頻攝像鏡頭實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明高清水下視頻攝像鏡頭實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明鏡頭裝置實(shí)施例1的主要幾何像差曲線圖。其中：mtf曲線圖是0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各視場的mtf曲線，橫坐標(biāo)的單位是線對(duì)/mm；球差、像散的橫坐標(biāo)的單位是mm；倍率色差的橫坐標(biāo)的單位是μm；特性曲線的最大的縱坐標(biāo)的單位是±20μm；畸變的橫坐標(biāo)的單位是％；

圖6是本發(fā)明鏡頭裝置實(shí)施例2中0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各視場的mtf曲線。mtf曲線圖的橫坐標(biāo)的單位是線對(duì)/mm。

圖中符號(hào)說明：1、第一鏡片，2、第二鏡片，3、第三鏡片，4、第四鏡片，5、第五鏡片，6、第六鏡片，7、光欄，0、海水，1′、前置平板玻璃，2′純凈水。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖3所示，為本發(fā)明提供的一種高清水下視頻攝像鏡頭，其特征在于：包括沿光線入射方向依次設(shè)置的第一鏡片1、第二鏡片2、光欄7、第三鏡片3、第四鏡片4、第五鏡片5以及第六鏡片6，所述第一鏡片1為凸凹負(fù)透鏡，所述第二鏡片2為凸凹正透鏡，所述第三鏡片3為雙凹負(fù)透鏡，所述第四鏡片4為凹凸正透鏡，所述第五鏡片5為凸凹正透鏡，所述第六鏡片6為平板保護(hù)玻璃，構(gòu)成攝像鏡頭的各光學(xué)元件需滿足以下條件：

lp1＝r1±0.2mm‥‥‥①

3<r1/r2<4.5‥‥‥②

-0.075<h1/f′前<-0.05‥‥‥③

7.8<r10<9.5‥‥‥④

17.5<d2<18.5‥‥‥⑤

4<d1<6‥‥‥⑥

1.71<n3<1.75，50<v3<58‥‥‥⑦

1.75<n8<1.78，50<v8<57‥‥‥⑧

1.71<n6<1.76，26.5<v6<30‥‥‥⑨

其中，lp1為第一鏡片1第一面到光學(xué)系統(tǒng)入瞳中心的距離，r1、r2、r10分別為沿光線入射方向鏡片第一面、第二面和第十面的半徑，h1為入瞳半孔徑，f′前為第一鏡片1的焦距，d1為第一鏡片1的厚度，d2為第一鏡片1和第二鏡片2之間的空氣間隔，n3、n6、n8分別為第二鏡片2、第三鏡片3和第四鏡片4的折射率，v3、v6、v8分別為第二鏡片2、第三鏡片3和第四鏡片4的阿貝系數(shù)。

設(shè)置條件①的目的是，采用非同心球殼結(jié)構(gòu)作水下電視鏡頭防護(hù)窗口，并使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的入瞳位置和第一鏡片1第一面的球心基本重合，達(dá)到經(jīng)球殼出射的光束是沿徑向射出，保證光束無偏折的進(jìn)入水空間，該片的第2面的半徑和厚度可以作為參量和后置光學(xué)系統(tǒng)一起對(duì)像差進(jìn)行校正，有利光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)一步改善。根據(jù)計(jì)算，給于它±0.2mm的公差有利于快速達(dá)到自動(dòng)平衡像差的目標(biāo)值，對(duì)進(jìn)入水介質(zhì)的偏折角度影響很小。

設(shè)置條件②的目的是，在第一鏡片1采用不同心球殼透鏡結(jié)構(gòu)時(shí)，能讓兩球面產(chǎn)生一定量的-s4又不產(chǎn)生過大的+s3差值，有利于平衡物空間改為水介質(zhì)后帶來的像場彎曲和像散。

設(shè)置條件③的目的是，不讓第一鏡片1承擔(dān)過大的軸上偏角，避免它產(chǎn)生高級(jí)軸上像差，有利于讓它平衡物空間改為水介質(zhì)后產(chǎn)生的軸外像差。

設(shè)置條件④的目的是，讓它產(chǎn)生較大的+s1，以平衡第三鏡片3前一面產(chǎn)生的﹣s1，也使正負(fù)高級(jí)球差得到平衡。

設(shè)置條件⑤的目的是，這一間隔起著使光學(xué)系統(tǒng)的入瞳能和r1重合的作用。計(jì)算表明，它越長越好，但不利于系統(tǒng)的小型化和后截距的拉大。

設(shè)置條件⑥的目的是，在第一鏡片1能承受外面水壓的前提下，盡量控制它的厚度，有利于控制第一面和入瞳位置重合和鏡頭的小型化。

設(shè)置條件⑦的目的是，降低可能產(chǎn)生的軸外高級(jí)像差，使光欄后的透鏡只用初級(jí)像差，就能把光學(xué)系統(tǒng)的軸外像差平衡好。

設(shè)置條件⑧的目的是，降低正透鏡產(chǎn)生的正高級(jí)軸上像差和增大它的第一面的半徑，有利于加工。

設(shè)置條件⑨的目的是降低負(fù)透鏡產(chǎn)生的負(fù)高級(jí)軸上像差和增大它的第一面的半徑，有利于加工。

為了能實(shí)現(xiàn)鏡頭的小型化，構(gòu)成攝像鏡頭的各光學(xué)元件需滿足以下條件：

0.8<︱f′3︱/f′<1.2‥‥‥⑩

其中，f′3為第三鏡片的焦距，f′5為第五鏡片的焦距，f′為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距。

設(shè)置條件⑩的目的是，通過控制它的焦距范圍使之產(chǎn)生的負(fù)高級(jí)球差能在一定范圍內(nèi)并產(chǎn)生一定量的-s1、-c1，使后面的正透鏡產(chǎn)生的正高級(jí)球差和-s1、-c1能與之平衡。

設(shè)置條件的目的是，讓它產(chǎn)生的一定量的-s1、-c1的同時(shí)，不至于光學(xué)系統(tǒng)的后截距太短。

如圖4所示，為了避免攝像鏡頭受到腐蝕，所述高清水下視頻攝像鏡頭還包括設(shè)置于第一鏡片1前端的前置平板玻璃1′，所述第一鏡片1和前置平板玻璃1′之間充滿純凈水。

優(yōu)選的，所述光欄7為電動(dòng)遙控可變光欄。

優(yōu)選的，所述第一鏡片1、第二鏡片2、第三鏡片3、第四鏡片4、第五鏡片5以及第六鏡片6分別采用以下材料制成：h-k9l、h-lak52、h-zf4、h-lak53a、h-lak53a、h-k9l。

實(shí)施例1

表1是圖3所示的本發(fā)明鏡頭裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。r1、r2‥‥r12、r13為透鏡各面的半徑；d1、d2‥‥d12、d13分別是各透鏡的厚度或它們之間的空氣間隔。其實(shí)際焦距f′＝5.765mm，相對(duì)孔徑d/f′＝1:2,視場角2ω＝60°(像面大小φ8mm)，物距l(xiāng)1取25m，光學(xué)總長totr＝41.5mm，設(shè)計(jì)的光譜中心設(shè)在綠光(e光),e、f、d、c、g各譜線的權(quán)重取1、1、0.8、0.3、0.4。半徑r和厚度d的單位均為mm。

圖5是本發(fā)明鏡頭裝置實(shí)施例1的主要幾何像差曲線圖。其中：mtf曲線圖是0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各視場的mtf曲線，橫坐標(biāo)的單位是線對(duì)/mm；球差、像散的橫坐標(biāo)的單位是mm；倍率色差的橫坐標(biāo)的單位是μm；特性曲線的最大的縱坐標(biāo)的單位是±20μm；畸變的橫坐標(biāo)的單位是％。

表1：

實(shí)施例2：

實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于：如圖5所示，實(shí)施例2在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，增加了前置平板玻璃8，并在第一鏡片1和前置平板玻璃8之間充滿純凈水。

表2是實(shí)施例2的光學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。r1’、r2’、r1、r2‥‥r12、r13為透鏡各面的半徑；d1’、d2’、d1、d2‥‥d12、d13分別是各透鏡的厚度或它們之間的空氣間隔。其實(shí)際焦距f′＝5.78mm，相對(duì)孔徑d/f′＝1:2,視場角2ω＝60°(像面大小φ8mm)，物距l(xiāng)1取25m，光學(xué)總長totr＝49.49mm，e、f、d、c、g各譜線的權(quán)重取1、1、0.8、0.3、0.4。半徑r和厚度d的單位均為mm。

圖6是本發(fā)明鏡頭裝置實(shí)施例2中0ω、0.5ω、0.7ω、1ω各視場的mtf曲線。mtf曲線圖的橫坐標(biāo)的單位是線對(duì)/mm。

表2：

上述具體實(shí)施方式只是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)解釋，本發(fā)明并不只僅僅局限于上述實(shí)施例，凡是依據(jù)本發(fā)明原理的任何改進(jìn)或替換，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。